La decisione sulla fonte di riscaldamento
Un impianto prevede di riscaldare 12 serbatoi di processo, ciascuno dei quali richiede 40 kW di potenza di riscaldamento. Sono allo studio due opzioni: installare riscaldatori elettrici a immersione in ciascun serbatoio oppure installare una caldaia a vapore centrale alimentata a gas naturale-che serve scambiatori di calore in PTFE in ciascun serbatoio.
L'opzione elettrica offre semplicità: nessuna caldaia, nessuna tubazione del vapore, nessun ritorno della condensa, nessun trattamento dell'acqua. Ogni serbatoio ha il proprio riscaldatore elettrico, controllato in modo indipendente. Il costo del capitale è rappresentato dai 12 riscaldatori elettrici più l'infrastruttura elettrica.
L'opzione vapore richiede una caldaia, tubazioni di distribuzione del vapore, un sistema di ritorno della condensa, apparecchiature per il trattamento dell'acqua e 12 scambiatori di calore in PTFE. Il costo del capitale è più elevato. Il costo operativo-dominato dall'energia-è inferiore perché il gas naturale per unità di energia costa circa da un-terzo a un-quarto dell'elettricità nella maggior parte dei mercati industriali.
Il confronto dei costi totali su 10 anni determina quale opzione offre costi del ciclo di vita inferiori, tenendo conto di energia, sostituzione delle apparecchiature e manutenzione.
Il differenziale dei costi energetici
Il riscaldamento a resistenza elettrica converte quasi il 100% dell'energia elettrica in calore nel punto di utilizzo. Non ci sono perdite nel camino, né perdite nelle tubazioni, né perdite nello scarico. L'efficienza fornita è essenzialmente del 100%.
La generazione di vapore da gas naturale comporta molteplici perdite di efficienza. Una caldaia industriale ben-manutenuta funziona con un'efficienza pari all'80-85% di carburante-rispetto a-vapore. Le tubazioni di distribuzione del vapore perdono il 5-10% del calore a causa delle perdite di isolamento. I sistemi di ritorno della condensa perdono ulteriore calore. L'efficienza complessiva dal combustibile al processo è del 65-75%.
Nonostante queste perdite, il gas naturale è molto più economico per unità di energia rispetto all’elettricità che l’opzione del vapore vince in termini di costi operativi. Ai prezzi medi dell'energia industriale statunitense-0,08 $/kWh di elettricità, 4,50 $/MMBtu di gas naturale-il costo per kWh di calore fornito è di 0,08 $ per l'elettricità, 0,023 $ per il vapore a gas naturale (che rappresenta il 70% dell'efficienza complessiva).
Tabella 1: Confronto dei costi totali su 10 anni (12 serbatoi × 40 kW, 6.000 ore/anno di funzionamento)
| Elemento di costo | Riscaldatori elettrici ad immersione | Caldaia dedicata + scambiatori di calore in PTFE |
|---|---|---|
| Costi di capitale | ||
| Apparecchiature di riscaldamento (12 unità) | $48,000 (12 × $4,000) | $ 96.000 (12 PTFE × $ 8.000) |
| Caldaia e sistema a vapore | $0 | $ 65.000 (installato) |
| Aggiornamento delle infrastrutture elettriche | $25,000 | $0 |
| Capitale totale | $73,000 | $161,000 |
| Costi operativi annuali | ||
| Costo energetico | $ 230.400 (2.880 MWh × $ 0,08) | $ 82.800 (3.600 MWh equivalenti × $ 0,023) |
| Sostituzioni riscaldatori (elementi elettrici ogni 2 anni) | $ 48.000 (6 sostituzioni/anno × $ 4.000 × 10 anni=$ 240.000 / 10) | $0 (PTFE >10 anni di vita) |
| Manutenzione caldaie e trattamento acqua | $0 | $8,000 |
| Totale operativo annuo | $278,400 | $90,800 |
| Costo totale a 10 anni | $2,857,000 | $1,069,000 |
Il costo di sostituzione dell'attrezzatura
I riscaldatori elettrici ad immersione hanno una durata limitata. Nei bagni chimici corrosivi, anche gli elementi elettrici rivestiti si guastano entro 2-3 anni a causa della corrosione della guaina o del guasto della guarnizione. In 10 anni, ciascuno dei 12 serbatoi richiede 3-5 sostituzioni del riscaldatore. Il costo di sostituzione cumulativo si avvicina o supera il costo di capitale iniziale.
Gli scambiatori di calore in PTFE riscaldati dal vapore non hanno elementi elettrici soggetti a guasti. Il fascio tubiero in PTFE, progettato adeguatamente per la pressione e la temperatura del vapore, dura 10+ anni senza sostituzione. Il costo di sostituzione delle apparecchiature in 10- anni per l'opzione vapore è quasi pari a zero per le apparecchiature lato serbatoio.
La caldaia stessa richiede manutenzione-pulizia dei tubi, assistenza del bruciatore, trattamento dell'acqua-ma questi costi sono prevedibili e modesti rispetto al costo della sostituzione ripetuta dei riscaldatori elettrici a immersione in ambienti chimici aggressivi.
La considerazione di flessibilità e ridondanza
L'opzione vapore offre flessibilità operativa. La caldaia può soddisfare ulteriori esigenze di riscaldamento del processo oltre al riscaldamento degli ambienti da 12 serbatoi-, al riscaldamento della soluzione detergente o ai futuri serbatoi di espansione. L'opzione elettrica serve solo i serbatoi e non offre alcun vantaggio di spillover.
Se la caldaia necessita di manutenzione, i serbatoi possono continuare a funzionare con acqua calda immagazzinata o con una portata ridotta. Se un riscaldatore elettrico si guasta in un serbatoio, quel serbatoio sarà fuori produzione finché il riscaldatore non verrà sostituito. Lo scambiatore in PTFE, essendo intrinsecamente più affidabile, riduce ma non elimina questo rischio-tuttavia, la caldaia stessa aggiunge un-rischio di guasto in un singolo punto che deve essere gestito tramite ridondanza o pianificazione di emergenza.
Riepilogo
Su un periodo di 10-anni, la combinazione di una caldaia a gas naturale dedicata e scambiatori di calore in PTFE costa circa 1.069.000 dollari in totale, rispetto ai 2.857.000 dollari dei riscaldatori elettrici a immersione: una riduzione del 63%. Il costo di capitale del sistema a vapore è più elevato (161.000 dollari contro 73.000 dollari), ma il risparmio sui costi energetici di 147.600 dollari all’anno e l’eliminazione delle sostituzioni ricorrenti dei riscaldatori elettrici recuperano la differenza di capitale entro il primo anno di funzionamento.
Per gli impianti con tre o più serbatoi riscaldati, la combinazione vapore-più-PTFE rappresenta l'opzione di costo totale più basso. Il punto di incrocio dipende dai prezzi locali dell’energia, dalla corrosività dei prodotti chimici di processo (che determina la frequenza di sostituzione del riscaldatore elettrico) e dalla disponibilità delle infrastrutture del vapore esistenti.
L'analisi ingegneristica per il confronto delle fonti di riscaldamento in condizioni specifiche della struttura è disponibile previa presentazione del numero e delle dimensioni dei serbatoi, delle tariffe locali di elettricità e gas, della chimica del processo e delle infrastrutture dei servizi esistenti.
